Né en 1951 à Tunis, il vient s’installer avec sa famille en France en 1960.
Après avoir réussi son baccalauréat, il étudie à l’université Pierre-et-Marie-Curie à Paris, où il obtient une licence de mathématiques. Il devient adjoint au maire du Pré-Saint-Gervais (1977-1983) et est élu pour la première fois en 1979 comme conseiller général de la Seine-Saint-Denis pour le canton des Lilas, puis réélu en 1985.
Lors des législatives de 1981, Claude Bartolone est élu député dans l’ancienne 6ème circonscription (Le Pré-Saint-Gervais, Les Lilas, Pantin, Bagnolet). Il est réélu, sans discontinuer, dans la nouvelle 9ème circonscription de la Seine-Saint-Denis.
Au sein de l’hémicycle, il est successivement vice-président de l’Assemblée nationale (1992-1993), président de la Commission des affaires culturelles, familiales et sociales (1997-1998) et devient finalement président de l’Assemblée nationale, le 26 juin 2012.
Entre mars 2008 et juin 2012, il est président du Conseil général de Seine-Saint-Denis.